【正文】 一種能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量 GPS 信號(hào)的接收機(jī)，就可以全天時(shí)、全天候和全球性 的 測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體的七維狀態(tài)參數(shù)和三維狀態(tài)參數(shù)。其用途 之廣，影響之大，是 其他無(wú)線電接收 裝置都 望塵莫及的。不僅如此， GPS 衛(wèi)星的入軌運(yùn)行，還為大地測(cè)量學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)、地球物理學(xué)、天體力學(xué)、載人航天學(xué)、全球海洋學(xué)和全球氣象學(xué)提供了一種高 精度、全天時(shí)、全天候的測(cè)量新技術(shù)?？v觀現(xiàn)狀， GPS 技術(shù)有 如下 用途。 GPS 技術(shù)的陸地應(yīng)用 GPS 技術(shù)在陸地上的開(kāi)發(fā)應(yīng)用可以體現(xiàn)在許多方面，如： 各種車輛的行駛狀態(tài)監(jiān)控；旅游者或旅游車的景點(diǎn)導(dǎo)游；應(yīng)急車輛 的快速引導(dǎo)行駛；高精度時(shí)間比對(duì)和頻率控制；大氣物理觀測(cè)；地球物理資源勘探；工程建設(shè)的施工放樣測(cè)量；大型建筑和煤氣田的沉降檢測(cè)；板內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和地殼形變測(cè)量；陸地以及海洋大地測(cè)量基 準(zhǔn)的測(cè)定；工程、區(qū)域、國(guó)家等各種類型大地測(cè)量控制網(wǎng)的測(cè)量和建設(shè)等 。 GPS 技術(shù)的海洋應(yīng)用 GPS 技術(shù)在海洋方面有著極其重要的作用，比如： 遠(yuǎn)洋船舶的最佳航線測(cè)定；遠(yuǎn)洋船隊(duì)在途中航行的實(shí)時(shí)調(diào)度和監(jiān)測(cè)；內(nèi)河船只的實(shí)時(shí)調(diào)度和自主導(dǎo)航測(cè)量；海洋救援的搜索和定點(diǎn)測(cè)量；遠(yuǎn)洋漁船的結(jié)隊(duì)航行和作業(yè)調(diào)度；海洋油氣平臺(tái)的就位和復(fù)位測(cè)定；海底沉船位置的精確探測(cè)；海底管道鋪設(shè)測(cè)量；海岸地球物理勘探；水文測(cè)量；海底大地測(cè)量控制網(wǎng)的布測(cè)；海底地形的精細(xì)測(cè)量；船運(yùn)貨物失竊報(bào)警；凈化海洋；海洋糾紛或海損事故的定點(diǎn)測(cè)定；港口交通管制；海洋災(zāi)難檢測(cè) 等 。 GPS 技術(shù)的航空應(yīng)用 GPS 技術(shù)在航空方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在： 民航飛機(jī)的在途自主導(dǎo)航；飛機(jī)精密著陸；飛機(jī)空中加油控制；飛機(jī)編隊(duì)飛 行的安全保護(hù)；航空援救的搜索和定點(diǎn)測(cè)量；機(jī)載地球物理勘探；飛機(jī)探測(cè)災(zāi)區(qū)大小和標(biāo)定測(cè)量；攝影和遙感飛機(jī)的七維狀態(tài)參數(shù)和三維姿態(tài)參數(shù)測(cè)量 等 。 GPS 技術(shù)的航天應(yīng)用 GPS 技術(shù)在航天方面 同樣 也有著很重要的作用： 低軌道通訊衛(wèi)星群的實(shí)時(shí)軌道測(cè) 2 量；衛(wèi)星入軌和衛(wèi)星回收的實(shí)時(shí)點(diǎn)位測(cè)量；載入航天器的在軌防護(hù)探測(cè)；星載 GPS 的遮掩天體大小和大氣參數(shù)測(cè)量；對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的七維狀態(tài)參數(shù)和三維 狀 態(tài)參數(shù)測(cè)量 [2]。 由此可見(jiàn) ， GPS 技術(shù)已經(jīng)延伸到各個(gè)領(lǐng)域的方方面面，但是要完成以上所述的各種用途，最基本的就是要具備能夠接收 GPS 信號(hào)并且能 夠調(diào)制輸出的設(shè)備，而 這種 設(shè)備最基本的功能就是能 夠 顯示當(dāng)時(shí)所處地點(diǎn)的經(jīng)緯度以及 UTC 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間?，F(xiàn)在世面上已經(jīng)有許多基于 GPS 接收模塊所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品， 如 GPS 手持機(jī)、車載 GPS 導(dǎo)航儀等等，雖然其功能強(qiáng)大，但價(jià)格 相對(duì)而言 比較昂貴，而且對(duì)于普通應(yīng)用 沒(méi)有必要。所以 基于 這種情況 下， 本次設(shè)計(jì)針對(duì)普通用戶使用 GPS 的切實(shí)需要，設(shè)計(jì)并制作 基于單片機(jī) 的 GPS定位信息顯示系統(tǒng)。 論文主要內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 是在 GPS 和單片機(jī)的理論知識(shí)基礎(chǔ)上，選擇合適的單片機(jī)提取 GPS 接收 模塊 接收 的數(shù)據(jù)并且由液晶顯示模塊顯示接收的數(shù)據(jù)。 在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要熟悉所選用的 GPS 接收模塊的 性能指標(biāo)，學(xué)習(xí) NMEA 封包并懂得 如何 使用 NMEA 輸出命令，結(jié)合單片機(jī)的相關(guān)知識(shí)能實(shí)現(xiàn)對(duì) GPS 接收到的衛(wèi)星信息進(jìn)行提取，并在液晶顯示器上選擇性的顯示需要的數(shù)據(jù)。 3 第二章 GPS 定位信息顯示 系統(tǒng) 方案設(shè)計(jì) GPS 全球定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介 全球定位系統(tǒng) (GPS)是本世紀(jì) 70 年代由美國(guó)陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，是美國(guó)獨(dú) 霸全球戰(zhàn)略的重要組成 部分 。 全球定位系統(tǒng)由三部分構(gòu)成： (1) 地面控制部分，由主控站 (負(fù)責(zé)管理、協(xié)調(diào)整個(gè)地面控制系統(tǒng)的工作 )、地面天線 (在主控站的控制下，向衛(wèi)星注入尋電文 )、監(jiān)測(cè)站 (數(shù)據(jù)自動(dòng)收集中心 )和通訊輔助系統(tǒng) (數(shù)據(jù)傳輸 )組成 。 (2) 空間部分，由 24 顆衛(wèi)星組成，分布在 6 個(gè) 軌 道平面上 。 (3) 用戶裝置部分，主要由 GPS 接收機(jī)和衛(wèi)星天線組成 [3]。 這三部分的相互關(guān)系 如圖 所示。 圖 GPS 全球定位系統(tǒng) 組成 1978 年 2 月 22 日，第一顆 GPS 試驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射成功，標(biāo)志著工程研制階段的開(kāi)始。1989 年 2 月 14 日，第一顆 GPS 工作衛(wèi)星的發(fā)射成功，宣告 GPS 系統(tǒng)進(jìn)入了生產(chǎn)作業(yè)階段。 GPS 系統(tǒng)經(jīng)過(guò) 16 年 的發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星，到開(kāi)發(fā) GPS 信號(hào)應(yīng)用，進(jìn)而發(fā)射工作衛(wèi)星，終于在 1994 年 3 月建成了信號(hào)覆蓋率達(dá)到了 98％ 的 GPS 工作星座，它由 24 顆 Block2衛(wèi)星衛(wèi)星組成。 Block2 衛(wèi)星如圖 所示。 4 圖 Block2 衛(wèi)星圖 全球定位系統(tǒng) 有很多特點(diǎn)，其 主要特點(diǎn) 如下 ： (1) 全天候； (2) 全球覆蓋； (3) 三維定速定時(shí)高精度； (4) 快速省時(shí)高效率 ； (5) 應(yīng)用廣泛多功能。 24 顆 GPS 衛(wèi)星 在離地面 2 萬(wàn)公里的高空上，以 12 小時(shí)的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，使得在任意時(shí)刻，在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí) 接收到 6 顆以上 GPS 衛(wèi)星的定位信息。只要有 4 顆衛(wèi)星的定位信息， GPS 接收機(jī)就能向用戶提供三維坐標(biāo)、時(shí)間及移動(dòng)速度等信息參數(shù)。 由于衛(wèi)星的位置精確可知，在 GPS 觀測(cè)中，我們可得到衛(wèi)星到接收 設(shè)備 的距離， 根據(jù) 三維坐標(biāo)中的距離公式，利用 3 顆衛(wèi)星，就可以組成 3 個(gè)方程式，解出觀測(cè)點(diǎn)的位置(X,Y,Z)?？紤]到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有 4 個(gè)未知數(shù)， X、 Y、 Z和鐘差，因而需要引入第 4 顆衛(wèi)星，形成 4 個(gè)方程式進(jìn)行 求解，從而得到觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。 由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道、衛(wèi)星時(shí)鐘存在誤差，大氣對(duì)流層、電離層對(duì)信號(hào)的影響，以及人為的 SA 保護(hù)政策，使得民用 GPS 的定位精度只有 100 米。美國(guó)政府宣布 從 2020 年起 ，在保證美國(guó)國(guó)家安全不受威脅的前提下，取消 SA 政策， GPS 民用信號(hào)精度在全球 5 范圍內(nèi)得到改善，利用 C/A 碼進(jìn)行單點(diǎn)定位的精度由 100 米提高到 20 米 。 為 了達(dá)到更高 的 定位精度， 往往還 采用 了 差分 GPS(DGPS)技術(shù)，建立基準(zhǔn)站 (差分臺(tái) )進(jìn)行 GPS 觀測(cè)，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測(cè)值進(jìn)行比較，從而得出一修正數(shù)，并對(duì)外發(fā) 布。接收機(jī)收到該修正數(shù)后，與自身的觀測(cè)值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置。實(shí)驗(yàn)表明，利用差分 GPS，定位精度可提高到 5 米。 GPS 信號(hào)接收 方案 選擇 要實(shí)現(xiàn)在液晶顯示器上顯示出接收到的 GPS 數(shù)據(jù) 信息，首先要實(shí)現(xiàn) GPS 信號(hào)的接收。在接收 GPS 信號(hào)方案上 可以有兩種選擇。 第一種方案是選擇 GPS 接收芯片然后再根據(jù)芯片設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)外圍電路和安裝天線等，選擇這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是可以掌握到 GPS 接收部分的電路設(shè)計(jì)技術(shù)，但是這個(gè)方案的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，首先實(shí)現(xiàn)的難度較大 ， 不容易成功，其次由于 GPS 接 收芯片一般都是廠商直接供貨，單獨(dú)采購(gòu)價(jià)格會(huì)很高。 第二種方案是選擇成品的 GPS 接收模塊，采用這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是由于現(xiàn)階段 GPS接收模塊的制造技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成 熟，性能穩(wěn)定并且使用非常方便，定位成功后直接就可以通過(guò)模塊 輸出 GPS 相關(guān) 信息。并且在經(jīng)過(guò)大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)后價(jià)格已經(jīng) 能被我們所接受，這樣的模塊在市面上也能夠 容易的購(gòu)買到。 從上面的分析可以知道，選擇 GPS 接收模塊就能夠很好的作為本次設(shè)計(jì)接收 GPS定位信息的解決方案，因此我選擇第二種方案 來(lái) 完成本次設(shè)計(jì)。 GPS 接收模塊的研究 GPS 接收模塊是接收機(jī)的關(guān) 鍵 部分 ，而且型號(hào)很多，功能各異，一般 組成結(jié)構(gòu)主要由低噪聲下變頻器、并行信號(hào)通道、 CPU、儲(chǔ)存器等組成。 GPS 接收模塊通過(guò)它的 接收天線獲取衛(wèi)星信號(hào)， 經(jīng) 過(guò)變頻、放大、濾波、相關(guān)、混頻等一系列處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線視界內(nèi)衛(wèi)星的跟蹤、鎖定和測(cè)量。在獲取了衛(wèi)星的位置信息和測(cè)算出衛(wèi)星信號(hào)傳播時(shí)間之后，即可計(jì)算出天線位置。用戶通過(guò)輸入輸出接口，與 GPS 接收模塊進(jìn)行信息交換 ，實(shí)現(xiàn)功能 。 GPS 接收模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 6 圖 GPS 接收模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu) 總體方案的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)要求通過(guò)單片機(jī)控制 GPS 器件 實(shí)現(xiàn)定位 信息 顯示功能。在這里使用常見(jiàn)的 MCS51 型單片機(jī)作為處理器，利用 MCS51 單片機(jī)的串行接口接收 SiRF Star II GPS信號(hào)接收模塊 輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)，并通過(guò)軟件方法篩選出其中有用的定位數(shù)據(jù)，最后通過(guò)單片機(jī)的并行接口輸出至液晶顯示模塊顯示的方案。該 GPS 定位 信息顯示系統(tǒng)硬件 部分 主要由以下幾個(gè)部分 組成： (1) 接收部分：以 SiRF Star II GPS 接收模塊 為核心的 GPS 接收機(jī)； (2) 控制電路：由 51 單片機(jī)作為微處理器控制 GPS 信號(hào)； (3) 顯示部分： OLED 液晶顯示模塊； (4) 電源電路部分 :用以提供系統(tǒng) 工作時(shí)所必須的電 。 單片機(jī)系統(tǒng)：本次設(shè)計(jì)使 用 51 單片機(jī)作為微處理器，控制 GPS 數(shù)據(jù)的讀取和傳輸過(guò)程。利用其串行接口接收 SiRF Star II GPS 接收模塊輸出的 NMEA0183 語(yǔ)句數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)篩選和處理后發(fā)送到 OLED 液晶顯示器顯示。 外圍電路：外圍電路一部分是由 GPS 接收器件及其輔助電路組成，一部分是 OLED液晶顯示模塊的電源電路和顯示電路。 SiRF Star II GPS 接收模塊主要由變頻器、信號(hào)通道、存儲(chǔ)器、中央處理器和輸入輸出接口構(gòu)成。它接收 天線獲取的衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)過(guò)變頻、放大、濾波、相關(guān)、混頻等一系列處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線視界內(nèi)衛(wèi)星的跟蹤、鎖定和測(cè)量定位。 單片機(jī)控制程序：編寫程序，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制系統(tǒng)的初始化，控制 GPS 器件完成 7 數(shù)據(jù)的采集 ,進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào) 處理，并通過(guò)單片機(jī)接口輸出至液晶顯示模塊顯示必要的數(shù)據(jù) 。 由 此 可知： GPS 接收模塊將接收到的 GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航電文調(diào)制解碼，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)格式后，送給單片機(jī) ，當(dāng)單片機(jī) 接 收到 GPS 發(fā)送過(guò)來(lái)的導(dǎo)航電文后，經(jīng)過(guò)片內(nèi)程序的識(shí)別篩選，將篩選出來(lái) 的導(dǎo)航電文送到顯示模塊，并且最后通過(guò)液晶顯示器按照要求 顯示出來(lái)。 8 第 三 章 基于單片機(jī)的 GPS 硬件 電路 設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的 GPS 硬件 電路 總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案 ， 該 基于單片機(jī)的 GPS 硬件 電路 設(shè)計(jì) 主要由 GPS 信號(hào)接收部分（ SiRF Star II GPS 信號(hào)接收模塊）、控制芯片（ STC89C516RD+單片機(jī)）、顯示部分（ OLED液晶顯示模塊）這幾部分構(gòu)成。其大體結(jié)構(gòu)框圖如 圖 所示。 圖 基于單片機(jī)的 GPS 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖 基于單片機(jī)的 GPS 定位 信息 顯示系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 硬件 電路簡(jiǎn)介 STC89C516RD+簡(jiǎn)介 STC89C516RD+是一個(gè)低 電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī) ，采用 40 引 腳雙列直插封裝方式。 該器件采用 ATMEL 高 密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51 指令集和輸出管腳相兼容 [4]。 STC89C516RD+引腳 如圖 所示： 9 圖 STC89C52 引 腳圖 其 引腳 說(shuō)明 如下： (1) 主電源引腳（ 2 根） ： VCC(Pin40)：電源輸入，接 ＋ 5V 電源 ； GND(Pin20)：接地線 。 (2) 外接晶振引腳（ 2 根） ： XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端 ； XTAL2(Pin18)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 。 (3) 控制引腳（ 4 根） ： RST (Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位 ； ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào) ； PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào) ； EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從 外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。 (4) 可編程輸入 /輸出引腳（ 32 根） ： 10 STC89C516RD+單片機(jī)有 4 組 8 位的可編程 I/O 口，分別 為 P0、 P P P3 口，每個(gè)口有 8 根引腳 ，共 32 根。 P0 口（ Pin39～ Pin32） ： 8 位雙向 I/O 口線，名稱為 ～ ； P1 口（ Pin1～ Pin8） ： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ ； P2 口（ Pin21～ Pin28） ： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ ； P3 口（ Pin10～ Pin17） ： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ 。 STC89C516RD+主要功能 如表 所示。 表 STC89C516RD+2 主要功能 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 8K 可反復(fù)擦寫 Flash ROM 32 個(gè)雙向 I/O 口 256x8bit 內(nèi)部 RAM 3 個(gè) 16 位可編